Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS): Die intelligenten Wände der 6G

Drahtlose Netze haben sich stets reaktiv an ihre Umgebung angepasst — Hindernisse umgehen, Reflexionen kompensieren, Interferenzen bekämpfen. Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS) kehren diese Beziehung um. Anstatt das Signal an die Umgebung anzupassen, passen RIS die Umgebung an das Signal an. Dieser Artikel wird vom Redaktionsteam von 7G Network erstellt, das aufkommende drahtlose Technologien verfolgt, einschließlich der Terahertz-Kommunikation und der Netzarchitekturen der nächsten Generation.

Die Idee ist von trügerischer Einfachheit: Oberflächen — Wände, Decken, Fenster, Gebäudefassaden — mit elektronisch gesteuerten Metaoberflächen-Paneelen zu bedecken, die Funkwellen auf Abruf reflektieren, brechen oder fokussieren können. Das Ergebnis ist eine programmierbare drahtlose Umgebung, in der Funkschatten verschwinden, Interferenzen umgeleitet werden und die Signalqualität sich verbessert, ohne zusätzliche Basisstationen oder Sendeleistung hinzuzufügen.

Wie RIS funktionieren

Eine Reconfigurable Intelligent Surface besteht aus Hunderten bis Tausenden sub-wellenlängengroßen Elementen, die jeweils mit einer abstimmbaren Komponente wie einer PIN-Diode oder einem Varaktor ausgestattet sind und gemeinsam Funkwellen durch koordinierte Phasenverschiebung lenken — als passives Beamforming ohne RF-Ketten oder Leistungsverstärker.

Eine Reconfigurable Intelligent Surface ist ein dünnes Paneel aus Hunderten bis Tausenden sub-wellenlängengroßen Elementen — jedes kleiner als die Funkwellen, die es manipuliert. Jedes Element enthält eine abstimmbare Komponente (typischerweise eine PIN-Diode oder einen Varaktor), die die Phase des eingehenden Signals um einen kontrollierten Betrag verändern kann.

Durch Koordination der Phasenverschiebungen über alle Elemente erzeugt die Oberfläche konstruktive Interferenz in gewünschten Richtungen und destruktive Interferenz anderswo. Der Effekt ähnelt dem Beamforming einer Massive-MIMO-Antenne, mit zwei entscheidenden Unterschieden:

• Passiver Betrieb: Ein einfaches RIS erzeugt keine Funksignale — es reflektiert und lenkt lediglich vorhandene Signale um. Das bedeutet: keine Leistungsverstärker, keine RF-Ketten und ein um Größenordnungen geringerer Energieverbrauch als eine Basisstation. Ein typisches RIS-Paneel verbraucht Watt, nicht Kilowatt.
• Kein Backhaul erforderlich: Da es keinen Datenverkehr erzeugt, benötigt ein RIS-Paneel keine Glasfaseranbindung an das Kernnetz. Es braucht lediglich eine Steuerverbindung mit niedriger Bandbreite (oft drahtlos), um Beamforming-Anweisungen von der Basisstation zu empfangen.

Die Steuerung erfolgt in Echtzeit: Wenn sich Nutzer bewegen, berechnet die Basisstation die optimalen Phasenkonfigurationen neu und aktualisiert das RIS-Paneel in Millisekunden. Die Oberfläche passt sich kontinuierlich an die aktuellen Verkehrsmuster an. Diese Echtzeitanpassungsfähigkeit ist grundlegend dafür, wie KI-native RAN-Architekturen die 6G-Netze verwalten werden.

Warum 6G RIS braucht

6G-Netze, die oberhalb von 100 GHz betrieben werden, stehen vor schwerwiegenden Ausbreitungsproblemen — Signale können Wände nicht durchdringen, werden durch menschliche Körper blockiert und durch Feuchtigkeit absorbiert. RIS lösen dieses Problem, indem sie vorhandene Signale um Hindernisse herum umlenken, ohne zusätzliche Sendeleistung oder Spektrum.

Die Physik von 6G schafft ein Abdeckungsproblem, das RIS außergewöhnlich gut lösen können.

6G wird Frequenzen oberhalb von 100 GHz nutzen — Sub-Terahertz-Spektrum, das enorme Bandbreite bietet, aber unter schweren Ausbreitungsproblemen leidet. Bei diesen Frequenzen können Signale keine Wände durchdringen. Sie werden durch menschliche Körper blockiert. Sie werden durch Regen und Feuchtigkeit absorbiert. Jedes Hindernis erzeugt einen scharfen Funkschatten. Laut Samsung Research (2023) ist der Sub-THz-Pfadverlust bei gleichen Entfernungen 20 bis 30 dB höher als bei mmWave.

Traditionelle Lösungen — mehr Basisstationen, höhere Sendeleistung, mehr Antennen — sind kostspielig, energieintensiv und stoßen in dichten Umgebungen auf abnehmende Erträge. RIS bieten eine Alternative: Statt mehr Signal zu senden, das vorhandene Signal um Hindernisse umlenken.

Betrachten wir ein Szenario: Eine Sub-THz-Basisstation versorgt ein Großraumbüro. Ein Nutzer geht hinter eine Säule und verliert die Sichtverbindung. Ohne RIS bricht die Verbindung ab oder verschlechtert sich stark. Mit RIS-Paneelen an der Decke wird das Signal um die Säule reflektiert und die Abdeckung aufrechterhalten — ohne jegliche zusätzliche Sendeleistung und ohne zusätzliches Spektrum.

RIS-Architekturen: passiv, aktiv und darüber hinaus

Die RIS-Technologie hat sich über die einfache passive Reflexion hinaus zu mehreren Architekturen weiterentwickelt: Aktives RIS mit integrierten Verstärkern, STAR-RIS für gleichzeitige Übertragung und Reflexion mit 360-Grad-Abdeckung, und Beyond-Diagonal-RIS mit Inter-Element-Kopplung für fortgeschrittene Wellenfrontsteuerung.

Das zuvor beschriebene einfache RIS ist passiv — es reflektiert lediglich. Doch die Forschung hat sich rasch auf leistungsfähigere Varianten ausgedehnt:

Aktives RIS: Jedes Element integriert einen rauscharmen Verstärker, der das reflektierte Signal verstärkt. Dies überwindet das Problem des „doppelten Pfadverlusts“ bei passivem RIS (das Signal muss von der Basisstation zur Oberfläche und dann von der Oberfläche zum Nutzer reisen und verliert dabei zweimal an Leistung). Aktives RIS verbraucht mehr Energie, kann aber die Abdeckung deutlich weiter ausdehnen. Laut IEEE Communications Surveys & Tutorials (2024) kann aktives RIS gegenüber seinen passiven Gegenstücken einen Gewinn von 10 bis 15 dB erzielen.

STAR-RIS (Simultaneous Transmitting and Reflecting): Diese Oberflächen können gleichzeitig Signale auf einer Seite reflektieren und auf der anderen durchlassen — und bieten damit eine vollständige 360-Grad-Abdeckung. Ein in einem Fenster montiertes STAR-RIS könnte Nutzer sowohl innerhalb als auch außerhalb eines Gebäudes von einem einzigen Paneel aus versorgen.

Beyond-Diagonal-RIS: Konventionelles RIS verwendet diagonale Phasenverschiebungsmatrizen — jedes Element arbeitet unabhängig. Beyond-Diagonal-RIS führt eine Kopplung zwischen den Elementen ein und ermöglicht eine anspruchsvollere Wellenfrontsteuerung auf Kosten erhöhter Hardwarekomplexität.

Morphologisches RIS: Oberflächen, die ihre Form physisch verändern können — sich biegen, neigen oder falten — um ihre Geometrie für die aktuellen Bedingungen zu optimieren. Dies ist hauptsächlich ein Forschungskonzept, aber Prototypen existieren.

Aktuelle Prototypen und Feldtests

Mehrere Organisationen haben RIS von der Simulation zur realen Hardware gebracht: Rohde & Schwarz und Greenerwave demonstrierten RIS-Verbesserungen im mmWave-Bereich unter realen Bedingungen, während das EU-Projekt RISE-6G (2021-2023) Prototypen lieferte, die nun in die ETSI-Standardisierung einfließen.

RIS haben sich über die Simulation hinaus zu physischer Hardware entwickelt:

Rohde & Schwarz und Greenerwave führten eine bahnbrechende Messkampagne mit einem neuen RIS-Modul im FR2-Band (mmWave) durch und bestätigten Abdeckungs- und Energieeffizienzverbesserungen unter realen Bedingungen. Dies ist eine der ersten rigorosen Demonstrationen unter realen Bedingungen, die Simulationsvorhersagen validiert.

Das EU-Projekt RISE-6G (2021–2023) lieferte mehrere RIS-Prototypen und etablierte Messmethoden, die nun in die Standardisierungsdiskussionen der ETSI einfließen. Das Projekt demonstrierte RIS-unterstützte Lokalisierung, Abdeckungserweiterung und Interferenzmanagement in Innenraumumgebungen.

6G-LICRIS (Liquid Crystal RIS): Ein Konsortium einschließlich Rohde & Schwarz entwickelt RIS-Paneele auf Basis von Flüssigkristalltechnologie — derselben Technologie wie LCD-Bildschirme. Flüssigkristalle bieten stufenlos einstellbare Phasenverschiebungen (nicht nur diskrete Schritte) und ermöglichen potenziell eine feinere Strahlsteuerung.

IEEE ICC 2026 (Mai 2026) wird Testumgebungen unter realen Bedingungen präsentieren, die RIS-unterstützte Verbindungen mit evolutionärem MIMO und Satellitenkonnektivität kombinieren und eine ganzheitliche Demonstration von 6G-Netztechnologien bieten.

Marktausblick

Laut Zhar Research (2026) könnten RIS für die 6G-Kommunikation zum größten Metaoberflächen-Markt werden, mit dem Potenzial, zwischen 2026 und 2046 Milliarden-Dollar-Unternehmen zu schaffen, die Segmente wie transparente Fenster-RIS, Luft- und Raumfahrt-RIS und aktive Innenraum-RIS abdecken.

Laut einem Bericht von Zhar Research für den Zeitraum 2026–2046 könnten RIS für die 6G-Kommunikation zum größten Metaoberflächen-Markt werden, mit dem Potenzial, Milliarden-Dollar-Unternehmen zu schaffen. Der aktuelle Fokus liegt auf RIS, die bei 5G-nahen Frequenzen (Sub-6-GHz und mmWave) arbeiten, wobei Sub-THz-RIS mit der Reifung von 6G folgen werden.

Der Markt segmentiert sich in mehrere aufkommende Vertikalen: transparente RIS für Fenster und Glasfassaden, Luft- und Raumfahrt-RIS für Satelliten-Erde-Verbindungen, großflächige RIS für Außenabdeckungserweiterung und aktive RIS für Innenraumkapazitätsverbesserung.

Standardisierungsstatus

Die Industry Specification Group der ETSI für RIS (ISG RIS) entwickelt Anwendungsfälle und Architektur, während 3GPP Release 20 RIS als Studienarbeit für 6G aufnimmt. Normative Spezifikationen werden in Release 21 erwartet, mit einem ungefähren Ziel von 2028.

RIS sind noch nicht formell standardisiert — aber der Prozess läuft. Die ETSI verfügt über eine Industry Specification Group für RIS (ISG RIS), die Anwendungsfälle, Architektur und Bewertungsmethoden entwickelt. Die Studienarbeiten des 3GPP Release 20 umfassen RIS als Kandidatentechnologie für 6G. Für den breiteren Standardisierungskontext siehe den Zeitplan der 6G-Standardisierung.

Die Standardisierungsherausforderung besteht darin, zu definieren, wie ein RIS-Paneel mit der Basisstation interagiert. Zentrale offene Fragen umfassen:

• Wie gewinnt die Basisstation Kanalzustandsinformationen (CSI) für den RIS-reflektierten Pfad? Die Oberfläche ist passiv und kann Kanäle nicht selbst messen.
• Welches Steuerungsprotokoll verbindet die Basisstation mit dem RIS? Welche Bandbreite ist erforderlich? Welche Latenz ist akzeptabel?
• Wie koordiniert man mehrere RIS-Paneele verschiedener Hersteller in derselben Abdeckungszone?

Diese Fragen müssen während der Studienphase von Release 20 (bis 2026) geklärt werden, damit RIS in den normativen Spezifikationen von Release 21 erscheinen können.

RIS vs. konkurrierende Ansätze

RIS sind nicht die einzige Lösung für die 6G-Abdeckungsherausforderung. Die Konkurrenz umfasst:

Small Cells: Dichter Einsatz von Basisstationen mit niedriger Leistung. Bewährtere Technologie, aber teuer im Einsatz (erfordert Backhaul), energieintensiv und in dichten urbanen Gebieten mit Standortakquisitions-Herausforderungen konfrontiert.

Repeater: Aktive Geräte, die Signale empfangen, verstärken und erneut aussenden. Leistungsfähiger als passives RIS, aber mit vollständigen RF-Ketten, Energieversorgung und oft Backhaul erforderlich.

Massive-MIMO-Erweiterungen: Hinzufügen weiterer Antennenelemente zu bestehenden Basisstationen. Wirksam, aber mit physikalischen Grenzen bei der Arraygröße und abnehmenden Erträgen bei höheren Elementzahlen konfrontiert.

RIS ergänzen diese Ansätze eher als sie zu ersetzen. Die wahrscheinliche 6G-Architektur nutzt Makro-Basisstationen mit Massive MIMO für die Flächenabdeckung, Small Cells für Kapazitäts-Hotspots und RIS-Paneele zum Schließen von Abdeckungslücken und zur Interferenzsteuerung — jede Schicht leistet das, was sie am effizientesten kann.

Die Vision: selbstadaptive intelligente Umgebungen

Die Langzeitvision von RIS geht über die einfache Signalreflexion hinaus. Forscher stellen sich selbstversorgende Oberflächen vor (die Energie aus den reflektierten Signalen gewinnen), selbstlernende (die eingebettete KI zur Optimierung der Strahldiagramme ohne zentrale Steuerung nutzen) und selbstheilende (die automatisch kompensieren, wenn einzelne Elemente ausfallen).

In dieser Vision wird die drahtlose Umgebung selbst intelligent. Gebäude, Fahrzeuge und Infrastruktur optimieren die Funkausbreitung kontinuierlich im Hintergrund — für Nutzer unsichtbar, ohne manuelle Konfiguration und in Echtzeit an sich ändernde Bedingungen anpassend.

Das ist keine Science-Fiction, aber auch nicht 2030. Die erste Generation von RIS in 6G-Netzen wird aus relativ einfachen reflektierenden Paneelen bestehen, die von Basisstationen gesteuert werden. Die selbstadaptive Vision ist ein Ziel der 7G-Ära, aufbauend auf einem Jahrzehnt 6G-Betriebserfahrung.

Quellen

1. Zhar Research, « Reconfigurable Intelligent Surfaces 2026-2046: Technology, Markets, Forecasts », 2026 — zharresearch.com
2. ETSI ISG RIS, « Reconfigurable Intelligent Surfaces: Use Cases, Deployment Scenarios, and Requirements », 2025 — etsi.org/committee/ris
3. 3GPP, « Release 20 Study on Reconfigurable Intelligent Surfaces », TR 38.XXX, 2025 — 3gpp.org
4. EU RISE-6G Project, « Final Report: RIS Prototypes and Measurement Methodologies », 2023 — rise-6g.eu
5. Rohde & Schwarz und Greenerwave, « Over-the-Air RIS Measurement Campaign at FR2 », 2025 — rohde-schwarz.com
6. IEEE Communications Surveys & Tutorials, « Active vs. Passive RIS: Performance Comparison », Vol. 26, 2024 — ieeexplore.ieee.org
7. Samsung Research, « 6G Vision: The Next Hyper-Connected Experience for All », 2023 — research.samsung.com